OLED显示屏制备工艺细节全解

  • 2022/1/27 3:32:00

OLED结构及发光原理

OLED锆锡氧化物的基本结构是(ITO)在玻璃上做一层几十纳米厚的有机发光材料作为发光层,发光层上方有一层低功率函数的金属电极,形成三明治结构。

OLED基本结构主要包括:

基板(透明塑料、玻璃、金属箔)-基层用于支撑整个基层OLED。

当电流通过设备时,阳极(透明)-阳极消除电子(增加电子空穴)。

空穴传输层-该层由有机材料分子组成,这些分子从阳极传输空穴。

该层由有机材料分子(不同于导电层)组成,在这一层进行发光过程。

电子传输层-由阴极传输的电子有机材料分子组成。

阴极(可透明,也可不透明,视觉OLED类型而定)——当设备内有电流流通时,阴极会将电子注入电路。

OLED它是一种双注入式发光装置。在外部电压的驱动下,电极注入的电子和空穴在发光层中复合形成束缚能级的电子空穴对即激子。激子辐射退化刺激光子产生可见光。为了提高电子和空穴的注射和传输能力,通常是ITO在发光层和金属电极之间增加一层空穴传输层,以提高发光性能。其中,空穴从阳极注入,电子从阴极注入。空穴占据有机材料的最高分子轨道(HOMO)电子在有机材料的最低位置不占据分子轨道(LUMO)上跳传输。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段:

载流子注入:在外加电场的作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极注入到夹在电极之间的有机功能层。

载流子传输:注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层迁移到发光层。

载流子复合:电子和空穴注入发光层后,由于库伦力的作用,形成电子空穴对,即激子。

激子迁移:由于电子和空穴传输不平衡,激子的主要形成区域通常不覆盖整个发光层,因此由于浓度梯度而扩散迁移。

激子辐射退激发光子:激子辐射跳跃,发出光子,释放能量。

OLED发光的颜色取决于发光层有机分子的类型,在同一片OLED在上面放置几个有机形成彩色显示器。光的亮度或强度取决于发光材料的性能和施加电流的大小OLED,电流越大,亮度越高。

OLED的制造原理

OLED组件系由n型有机材料,p型有机材料,阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入,经过n型(p型)有机材料传导到发光层(通常n型材),通过再结合放光。一般来说,OLED元件制作的玻璃基板先溅镀ITO作为阳极,然后按顺序镀上真空热蒸镀p型和n型有机材料,以及低功率函数的金属阴极。由于有机材料容易与水、气或氧作用,会产生暗点(Dark spot)使元件不发光。因此,真空涂层后,元件必须在无水气和氧气的环境中进行包装。

阴极金属和阳极ITO目前广泛使用的元件结构一般可分为五层。如图所示,从靠近ITO侧顺序为:空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。

至于电子传输层,系为n类型的有机材料具有较高的电子迁移率。当电子传输层从电子传输层到空穴电子传输层介面时,电子传输层的最低非占据分子轨道的空穴传输层LUMO它要高得多,电子不容易跨越这个能障进入空穴传输层,所以它被阻挡在这个介面上。此时,空穴由空穴传输层传输到介面附近,与电子结合产生激子(Exciton),而Exciton能量释放将以放光和非放光的形式进行。就一般荧光材料系统而言,只有25%的电子空穴对系以放光的形式重新组合,其余75%的能量以放热的形式释放。近年来,磷光材料正在积极发展成为新一代OLED为了提高内部量子率提高到近100%,这种材料可以打破选择率的限制。

在两层元件中,n型有机材料-即电子传输层-它的发光波长系也被用作发光层HOMO及LUMO能量差决定。然而,良好的电子传输层-即电子迁移率高的材料-不一定是放光效率好的材料,所以目前的一般做法是将高荧光度的有机色料混合在一起(Doped)电子传输层中靠近空穴传输层的部分,又称发光层,体积比约为1%至3%。掺杂技术开发是增强原料萤光量子吸收率的关键技术。一般选用的材料是萤光量子吸收率高的染料。

阴极金属材料,传统上是使用低功率函数金属材料(或合金),如镁合金,有利于电子从阴极注入到电子传输层,另一种常见的做法是导入一层电子注入层,构成极薄的低功率函数金属卤化物或氧化物,如LiF或Li2O,这可以大大降低阴极和电子传输层的能量障碍,降低驱动电压。

由于空穴传输层材料HOMO值与ITO另外,还有差距ITO长时间运行后,阳极可能会释放氧气,破坏有机层,产生暗点。ITO在空穴传输层之间,插入一个空穴注入层HOMO值恰介于ITO以及空穴传输层之间,有利于空穴注入OLED元件,其膜的特性可以阻挡ITO氧气进入中间OLED延长元件寿命的元件。

OLED的制备工艺

OLED由于其结构简单,生产过程同LCD如此复杂的制造程序。OLED工艺设备仍处于持续改进阶段,没有统一的标准生产技术,主动和被动驱动和全彩方法的差异会影响OLED工艺和单元的设计。然而,整个生产过程需要一个清洁的环境和支持的工艺和设备。提高设备性能不仅要从组件的基础开始,即材料的化学结构,提高材料性能和丰富的材料类型,还要深入了解设备的物理过程和内部物理机制,改进设备的结构,提高设备的性能。两者相辅相成,不断促进OLED技术发展。

ITO基板预处理工艺

通常需要准备导电性好、透射率高的导电玻璃ITO玻璃。高性能ITO玻璃加工工艺比较复杂,接在市场上购买。ITO作为一个电极,需要特定的形状、尺寸和图案来满足设备设计的要求,可以委托制造商根据要求切割和形成图案,也可以在实验室自己ITO玻璃蚀刻,获得所需的基板和电极图形。基板表面的平整度和清洁度会影响有机薄膜材料的生长和生长OLED性能,必须对ITO严格清洁表面。

常用的ITO薄膜表面预处理方法有:化学方法(酸碱处理)(O2等离子体处理,惰性气体溅射)。

酸碱处理

固体表面的结构和组成与内部不同。表面的原子或离子表现为配位不饱和,这是由于固体表面形成时切断的化学键造成的。

正是因为这个原因,固体表面附外来原子,污染表面。水是固体表面最常见的污染物,因为环境空气中有大量的水。

由于金属氧化物表面切断的化学键是离子键或强极性键,容易与强极性水分子结合,因此绝大多数金属氧化物的清洁表面被水吸附污染。

在大多数情况下,水最终在金属氧化物表面解离吸附OH-及H 其吸附中心为表面金属离子和氧离子。

根据酸碱理论,M 是酸中心,O-在一对酸碱中心进行水解离吸附。

在对ITO表面水解离后,用酸碱处理ITO酸中的金属氧化物表面H 、碱中的OH-它们被碱中心和酸中心吸附,形成偶极层,从而改变ITO表面功函数。

处理等离子体

等离子体的作用通常是改变表面粗糙度,提高功率函数。研究发现,等离子体的作用对表面粗糙度影响不大,只能使ITO均方根粗糙度为1.8nm降到1.6nm,但对功函数的影响很大。用等离子体处理提高功函数的方法也不同。

通过补充氧等离子处理ITO提高表面氧含量的氧空位。

操作方法如下将ITO清洗液、去离子水、乙醇、乙醇和丙酮混合物、去离子水超声波清洗,去除基板表面的物理吸附和化学吸附污染物,然后将清洗后的基板放入清洗工作台,烘烤或用高速氮气吹干ITO表面,最后对ITO氧等离子体轰击或紫外臭氧处理表面。ITO玻璃的预处理有利于去除ITO改善表面可能的污染物ITO减少表面功函数ITO将电极注入有机功能材料的空穴。

成膜技术

制备OLED材料包括有机小分子、高分子聚合物、金属及合金等。大部分有机小分子薄膜通过真空热蒸镀来制备,可溶性有机小分子和聚合物薄膜可通过更为简单、快速和低成本的溶液法制备,先后开发出了旋涂法、喷涂法、丝网印刷、激光转印等技术。金属及合金薄膜通常采用真空热蒸镀来制备,为了实现全溶液法制备OLED,还开发了基于导电银浆刷等液态金属的溶液制备方法。

真空热蒸镀

传统热蒸镀的真空度约为10-4 Pa以上,真空度越高,形成薄膜的缺陷越少,薄膜中的材料纯度越高。有机材料在真空下加热。根据不同的材料特性,有些材料会先液化,然后气化,有些材料会直接升华,然后以一定的初始速度从材料表面飞出,移动到ITO冷却沉积在表面形成薄膜。如果真空低于10-4 Pa,水分子、氧分子等杂质气体在蒸发过程中与有机小分子材料发生碰撞,会严重降低成膜质量,甚至降低设备性能甚至失效。OLED在研究的早期阶段,一般采用机械泵和分子泵联动的两级抽真空系统,以确保高真空度。近年来,溅射离子泵可以用于制备高性能OLED。有两种设备可以检测腔体的真空度:0.1 Pa测量0.1 Pa上述高真空电离规。用振荡晶片检测功能层厚度,有机材料的蒸发速率一般为0.5~2 ?/s;金属的蒸镀速率一般为2~5 ?/s,厚度为80~100 nm。

旋转涂覆

制备有机小分子OLED,蒸汽小分子和金属需要采用真空热蒸汽技术,设备成本高,维护复杂。有机聚合物分子量大,加热时易分解。因此,聚合物薄膜必须采用溶液法制备,成本相对较低,成膜过程简单、快速、均匀、致密。旋转涂层法是将基板提前吸附在旋转仪的旋转平台上,然后将预制溶液滴在基板的中心或覆盖整个基板,通过基板高速旋转产生的离心力将大部分溶液扔出基板。由于溶液与基板的摩擦力和溶液本身的粘度,在基板上留下一层薄膜。旋转膜的厚度主要取决于溶液的浓度、粘度、挥发速度、旋转速度和旋转时间。溶剂的性质,如沸点、极性等,对聚合物膜的形状有很大的影响。旋转涂层具有溶液法成膜的优点,但大量溶液在旋转涂层过程中被扔出基板外,不适合大面积装置,不能实现全彩显示,不适用于大规模生产。

喷墨打印

与旋转涂层相比,喷墨打印技术大大降低了材料的浪费,可实现图案化、全彩打印,适用于大面积设备的制备。例如,卷对卷(roll-to-roll,R2R)喷墨打印设备可以实现大面积设备的制备,而不受基板尺寸的限制。喷墨打印是一种非接触、无压力、无印刷印刷技术,提前将各种功能材料制成墨盒,通过计算机将图形信息转换为数字脉冲信号,然后控制喷嘴运动和墨滴形成,利用外力挤压墨滴,墨滴喷射沉积到相应位置形成所需图案,实现准确、定量、定位沉积,完成最终印刷产品。喷墨打印技术的关键是油墨的开发、印刷头和印刷系统的设计、溶剂挥发性控制等。其中,聚合物聚合物油墨的开发是最重要的,因为液滴的均匀性主要取决于油墨的物理特性,如适当的粘度和表面张力。通过喷墨打印技术,PLED带入大尺寸领域的平板显示器。

激光热转印

激光热转印是一种全彩色AMOLED像素图形制备技术具有精度高、分辨率高、可靠性好、薄膜厚度均匀、多层薄膜转移、适用于大型基板的优点,是制备高分辨率、大尺寸、全彩AMOLED理想的方法。制备激光热转印技术AMOLED,它是通过一组供体胶片、一组高精度激光成像系统和一对衬底完成的。具体过程包括:首先将热转印的供体压在衬底上,供体必须与衬底受体表面紧密接触;然后用激光曝光供体的成像模板,将成像图案从供体与受体接触的表面释放到受体传输层,最后附着在受体表面传输层上;最后剥离供体,完成曝光区域内高分辨率条纹的印刷。激光热转印技术是在环境中制备的OLED效率和色纯度可分子的效率和色纯度OLED相媲美。

阴极工艺

传统的阴极制备方法是通过真空热蒸镀和金属覆盖板,通过固体块、条状或丝状银、镁、铝等金属获得所需的薄膜图形。近年来,由于制备工艺简单,设备成本低,湿法制备技术的快速发展正在向工业化的大规模生产迈进。实现全湿法制备OLED,阴极湿法制备工艺需要跟上有机功能层湿法制备的发展步伐。通过配置墨水、成膜和后处理获得的阴极导电率正逐渐接近真空蒸镀阴极的水平。其中,银纳米颗粒是湿法制备电极的研究热点。

封装技术

提高OLED的寿命达到商业化水平是实现OLED产业化发展的关键问题之一,而水氧和灰尘接触电极甚至有机层会导致OLED的电极出现气泡,工作状态下发光区域出现黑斑,加速器件老化,降低OLED的稳定性。通过器件封装隔绝水氧和灰尘是提高OLED寿命的有效途径。目前常用的封装技术有玻璃或金属盖板封装、薄膜封装、铟封接、熔块熔接密封等。传统的盖板封装是在充满惰性气体的手套箱内,用环氧树脂紫外固化胶将玻璃基板和玻璃或金属盖板粘接,从而将夹在盖板、基板间的有机层和电极密封,隔绝外界大气中的氧气、水汽和灰尘。为了防止密封环境中仍残留少量水氧,可提前加入干燥剂。薄膜封装是采用一定的薄膜沉积技术制备保护层来替代盖板加密封胶的组合。目前薄膜封装包括无机薄膜封装、有机薄膜封装以及有机/无机交替的复合薄膜封装等。铟封接是电真空器件工业中常用的一种软金属真空封接方法,主要用于连接玻璃、陶瓷等材料来完成对器件的密封。铟具有熔点低、塑性好等特点,使铟封接具有许多优势,如封接温度低、兼容性好、封接应力小、精度高等。目前铟封接应用于OLED的封接还处于探索阶段。熔块熔接密封在OLED的封接中得到越来越广泛的应用,是在底层基板上制作OLED像素阵列,在顶层基板上制作面积相当的不透明的熔块层,随后将顶层基板和底层基板面对面放置,中间留有空隙,最后用激光或红外射线通过掩膜板定点照射熔块密封部件,使其熔融连接熔块层和底层基板,同时环状包围电致发光阵列。熔块密封部件再固化后与熔块层以及底层基板形成密封区域,将其中的发光阵列保护。

OLED的彩色化技术

显示器全彩色是检验显示器是否在市场上具有竞争力的重要标志,因此许多全彩色化技术也应用到了OLED显示器上,按面板的类型通常有下面三种:RGB象素独立发光,光色转换(Color Conversion)和彩色滤光膜(Color Filter)。

RGB象素独立发光

利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金属荫罩与CCD象素对位技术,首先制备红、绿、蓝三基色发光中心,然后调节三种颜色组合的混色比,产生真彩色,使三色OLED元件独立发光构成一个象素。该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率,同时金属荫罩刻蚀技术也至关重要。

目前,有机小分子发光材料AlQ3是很好的绿光发光小分一于材料,它的绿光色纯度,发光效率和稳定性都很好。但OLED最好的红光发光小分子材料的发光效率只有31m/W,寿命1万小时,蓝色发光小分子材料的发展也是很慢和很困难的。有机小分子发光材料面临的最大瓶颈在于红色和蓝色材料的纯度、效率与寿命。但人们通过给主体发光材料掺杂,已得到了色纯度、发光效率和稳定性都比较好的蓝光和红光。

高分子发光材料的优点是可以通过化学修饰调节其发光波长,现已得到了从蓝到绿到红的覆盖整个可见光范围的各种颜色,但其寿命只有小分子发光材料的十分之一,所以对高分子聚合物,发光材料的发光效率和寿命都有待提高。不断地开发出性能优良的发光材料应该是材料开发工作者的一项艰巨而长期的课题。

随着OLED显示器的彩色化、高分辨率和大面积化,金属荫罩刻蚀技术直接影响着显示板画面的质量,所以对金属荫罩图形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。

光色转换

光色转换是以蓝光OLED结合光色转换膜阵列,首先制备发蓝光OLED的器件,然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光,从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。这种技术不需要金属荫罩对位技术,只需蒸镀蓝光OLED元件,是未来大尺寸全彩色OLED显示器极具潜力的全彩色化技术之一。但它的缺点是光色转换材料容易吸收环境中的蓝光,造成图像对比度下降,同时光导也会造成画面质量降低的问题。

此种技术是利用白光OLED结合彩色滤光膜,首先制备发白光OLED的器件,然后通过彩色滤光膜得到三基色,再组合三基色实现彩色显示。该项技术的关键在于获得高效率和高纯度的白光。它的制作过程不需要金属荫罩对位技术,可采用成熟的液晶显示器LCD的彩色滤光膜制作技术。所以是未来大尺寸全彩色OLED显示器具有潜力的全彩色化技术之一,但采用此技术使透过彩色滤光膜所造成光损失高达三分之二。

RGB象素独立发光,光色转换和彩色滤光膜三种制造OLED显示器全彩色化技术,各有优缺点。可根据工艺结构及有机材料决定。

OLED蒸镀技术

究竟什么是蒸镀?这得从OLED的结构讲起。典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料——也就是人们通常所说OLED屏幕像素自发光材料,发光层上方有一层金属电极,电极加电压,发光层产生光辐射;从阴阳两级分别注入电子和空穴,被注入的电子和空穴在有机层传输,并在发光层复合,激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减发光。

这解释得有些复杂了,不过大致上就是你看到的红绿蓝三个次像素会自己发光就对了。当然了,具体到整块面板,结构也就复杂很多,包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。

这种复杂的结构,靠人手用小刀去微雕是不可能的。如果将这些结构付诸实现,就是制造工艺的问题了。OLED的制造工艺涉及到ITO玻璃洗净、光刻处理之类的东西,都需要很高科技、我们一般人没见过的技术去搞定,总之就是通过光刻就能在基板上形成电极图案、ITO图案、隔离柱图案等等。

随后的工艺部分,在OLED面板的制造上才显得至关重要,即蒸镀。真空腔室内,把ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上,然后放把火在下面烧坩埚(当然不是真的放把火),你看到的发光材料就这么蒸上去了。是的,红绿蓝三色灯泡(当然不是真的灯泡)就这么蒸上去了。

说得高大上一点,蒸镀就是真空中通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜。

可以说,蒸镀是OLED制造工艺的精华部分,而且不仅是发光材料,金属电极等等之类也是这么蒸上去的。虽然我们把蒸镀说得跟蒸馒头一样,但实际操作还是非常复杂的,比如如何控制像素区域,像素要怎么对齐,还有控制蒸上去的薄膜厚度,什么前处理、蒸镀室的真空度等,都不是我们一般人可以参透的。除了蒸镀之外,随后还有点胶、封装、老化、切割、测试等等过程。

实际上,蒸镀也的确是OLED屏幕成本高的一个重要原因, LG就是因为买不到太多蒸镀机,所以才没有搞定iPhone 8订单的。

OLED驱动技术

除了在制程工艺、设备、原材料及器件结构设计上进行优化改进以外,最重要的措施是需要在驱动方式及驱动电路设计上进行改善。

PMOLED驱动技术

无源驱动矩阵的像素由阴极和阳极单纯基板构成,阳极和阴极的交叉部分可以发光,驱动用IC需要由TCP或COG等连接方式进行外装。显示基板上的显示区域仅仅是发光象素(电极,各功能层),所有的驱动和控制功能由集成IC完成(IC 可以置于在基板外或者基板上非显示区域),PMOLED面板电路如图所示。无源驱动分为静态驱动电路和动态驱动电路。

静态驱动

各有机电致发光像素的相同电极(比如,阴极)是连在一起引出的,各像素的另一电极(比如,阳极)是分立引出的;分立电极上施加的电压决定对应像素是否发光。在一幅图象的显示周期中,像素发光与否的状态是不变的。若要一个像素发光只要让恒流源的电压与阴极的电压之差大于像素发光值的前提下,像素将在恒流源的驱动下发光,若要一个像素不发光就将它的阳极接在一个负电压上,就可将它反向截止。但是在图像变化比较多时可能出现交叉效应,为了避免这一现象,必须采用交流驱动的形式。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。

动态驱动

显示屏上象素的两个电极做成了矩阵型结构,即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的,纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。如果象素可分为N行和M列,就可有N个行电极和M个列电极,我们分别把它们称为行电极和列电极。 为了点亮整屏象素,将采取逐行点亮或者逐列点亮、点亮整屏象素时间小于人眼视觉暂留极限20 ms的方法,该方法对应的驱动方式就叫做动态驱动法。在实际电路驱动的过程中,要逐行点亮或者要逐列点亮像素,通常采用逐行扫描的方式,行扫描,列电极为数据电极。实现方式是:循环地给每行电极施加脉冲,同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲,从而实现一行所有像素的显示。该行不再同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示,以避免“交叉效应”,这种扫描是逐行顺序进行的,扫描所有行所需时间叫做帧周期。

在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N,扫描一帧的时间为1,那么一行所占有的选择时间为一帧时间的1/N该值被称为占空比系数。在同等电流下,扫描行数增多将使占空比下降,从而引起有机电致发光像素上的电流注入在一帧中的有效下降,降低了显示质量。因此随着显示像素的增多,为了保证显示质量,就需要适度地提高驱动电流或采用双屏电极机构以提高占空比系数。

除了由于电极的共用形成交叉效应外,OLED显示屏中像素发光的机理是正负电荷载流子复合形成发光,只要组成它们结构的任何一种功能膜是直接连接在一起的,那两个发光像素之间就可能有相互串扰的现象,即一个像素发光,另一个像素也可能发出微弱的光。这种现象主要是因为有机功能薄膜厚度均匀性差,薄膜的横向绝缘性差造成的。从驱动的角度,为了减缓这种不利的串扰,采取反向截止法也是一行之有效的方法。

带灰度控制的显示:显示器的灰度等级是指黑白图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越多,图像从黑到白的层次就越丰富,细节也就越清晰。灰度对于图像显示和彩色化都是一个非常重要的指标。一般用于有灰度显示的屏多为点阵显示屏,其驱动也多为动态驱动,实现灰度控制的几种方法有:控制法、空间灰度调制、时间灰度调制。

AMOLED驱动技术

与PMOLED不同,AMOLED是在每一个像素单元布置了2个晶体管及1个电容(即2T1C),这是AMOLED最基本的像素驱动电路方式,考虑到亮度均匀性等性能补偿,也可以设计更多的晶体管和电容。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管,而且每个像素配备一个电荷存储电容,外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内,更易于实现集成度和小型化。另外由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题,这在一定程度上提高了成品率和可靠性。有源驱动突出的特点是恒流驱动电路集成在显示屏上,而且每一个发光像素对应其矩阵寻址用薄膜晶体管,驱动发光包含薄膜晶体管、电荷存储电容等。

有源驱动属于静态驱动方式,具有存储效应,可进行100%负载驱动,这种驱动不受扫描电极数的限制,可以对各像素独立进行选择性调节,无占空比问题,易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动由于可以对低亮度的红色和蓝色像素独立进行灰度调节驱动,这更有利于OLED彩色化实现。OLED显示器件具有二极管特性,因此原则上为单向直流驱动。但是由于有机发光薄膜的厚度在纳米量级,发光面积尺寸一般大于100微米,器件具有很明显的电容特性,为了提高显示器件的刷新频率,对不发光的像素对应的电容进行快速放电。目前很多驱动电路采用正向恒流反向恒压的驱动模式。

在实际产品中,各种影响AMOLED图像质量的因素更复杂,有的是某一种因素起主导作用,有的可能是多种因素共同作用的结果,针对导致AMOLED图像质量劣化的因素,业界研究了各种驱动补偿技术及相应的补偿电路,可大致分为电压补偿法、电流补偿法、数字驱动补偿法、外部补偿法等。相对于工艺技术和设备技术改进AMOLED图像质量劣化,采用电路改进的手段更为快捷。驱动补偿技术是AMOLED驱动的关键和难点,也是AMOLED驱动相比TFT LCD驱动的特别之处。

OLED制备工艺细节全解析

OLED的制备工艺实际上是功能薄膜工艺和表面处理工艺的结合。制备该类器件的关键技术有功能层薄膜,金属电极及透明导电薄膜和保护膜等的制备技术,有机电致发光器件的制备过程决定了器件性能优劣,不同的发光材料需要不同的器件制备工艺、下面我们就以有机小分子OLED为例,简单描述有机电致发光器件的制备方法及工艺流程。

有机小分子OLED一般采用真空热蒸镀的方法进行制备,此类器件(以 PMOLED为例)的阳极通常是采用ITO或者ITO导电玻璃,其制备流程如下:

1

对ITO玻璃进行处理

ITO作为阳极其表面状态直接影响空穴的注入和与有机薄膜层间的界面电子状态及有机材料的成膜性。如果ITO表面不清洁,其表面自由能变小,从而导致蒸镀在上面的空穴传输材料发生凝聚、成膜不均匀。

ITO表面的处理过程为:洗洁精清洗→乙醇清洗→丙酮清洗→纯水清洗,均用超声波清洗机(如腾盛工业所制造的超声波清洗设备)进行清洗,每次洗涤采用清洗5分钟,停止5分钟,分别重复3次的方法。然后再用红外烘箱烘干待用。

对ITO玻璃表面进行处理一定要在干燥的真空环境中进行,处理过的ITO玻璃不能在空气中放置太久,否则 ITO表面就会失去活性。

2

对ITO玻璃进行蚀刻,制备所需要的阳极图形

作用:线路成型。

蚀刻分为干蚀刻与湿蚀刻,其区别如下:

干蚀刻:利用不易被物理、化学作用破坏的物质光阻来阻挡不欲去除的部分,利用电浆的离子轰击效应和化学反应去掉想去除的部分,从而将所需要的线路图形留在玻璃基板上。干蚀刻等向性蚀刻与异向性蚀刻同时存在。

湿蚀刻:利用化学药液将需要蚀刻掉的物质蚀刻掉。湿蚀刻为等向性蚀刻。湿蚀刻机台便宜,蚀刻速度快,但难以精确控制线宽和 获得极其精细的图形并且需要大量用水,污染大 ;干蚀刻机台价格昂贵,蚀刻速度速度慢,但可以精确控制线宽能获得极其精细的图形,而且 不需要用水,污染小。

3

进行图案化后的清洗工作

因为器件功能层厚度仅为几十纳米,粒径为微米级的灰尘或异物会造成有机材料无法形成连续薄膜并且影响薄膜表面的平整性,造成器件短路或者击穿:另外,ITO表面一些无机或有机沾染物会影响有机材料在ITO表面的附着性,降低器件性能。所以,OLED器件对TO表面的洁净程度要求很高。

基片清洗的方法有很多,如化学清洗法、超声波清洗法、真空烘烤法和离子击法等。将基片放入含有5%左右洗涤剂的去离子水溶液中,加热至40℃,在70Hz频率下超声波振荡15min,再用40°C去离子水在超声清洗基片15min,然后在常温相同频率下用丙超声振荡基片15min,最后在常温相同频率下用异丙醇超声振荡基片15min。

把经过超声处理后的ITO玻璃从异丙醇中拿出用N2吹干待用。同时,为了提高ITO阳极的功函数,通常把吹干待用的基片放入紫外烘箱中进行紫外光照射处理或进行等离子体轰击处理,在真空情况下送到蒸镀设备进行器件制备。

4

然后把处理好的ITO玻璃村底放入真空蒸镀腔中

当真空度达到3×10-4Pa以下时开始蒸镀各个有机半导体功能层,最后在有机层的上面蒸镀金属阴极。在有机材料的蒸镀过程中,当有机材料从蒸发源中被加热蒸发出来之后,有机材料分子或金属原子将以一定的初速度脱离材料表面向外飞散,如果这些分子或原子在飞散过程中遇上其他分子,这些被蒸发出来的分子将可能被散射;如果没有碰到气体分子,则一部分被蒸发出的分子将从材料表面匀速直线运动到基板表面,并沉积下来形成一层致密薄膜,薄膜的厚度分布与束源和样品的相对位置及发散角等因素有关。

一般而言,有机小分子在ITO导电玻璃上是均匀层状生长的,而且形成的是无定形薄膜,但是也有岛状生长和类似于传统的分子東外延生长中的准分子束外延生长的有序有机薄膜。

在薄膜的淀积过程中,控制厚度均匀的薄膜和恒定的蒸发速率是非常重要的,通常有机分子的蒸发速率控制在一定范围,如果沉积速率太快,沉积上去的有机分子还来不及通过热振动弛豫能量,便被随后沉积上去的分子覆盖,这样很容易导致分子排列出现缺陷,使薄膜很容易产生针孔现象,因此需要优化设计好蒸镀源的形状、尺寸和与样品之间的距离。

事实上,真空蒸发是在一定压强的残余气体中进行的。真空室内存在两种粒子,种是蒸发物质的原子或分子,另外一种是残余气体分子。这些残余气体分子会对薄膜形成过程乃至薄膜性质产生影响。

ITO表面之原子力显微镜照片

如果真空度过低,残余气体分子的量很大,真空蒸发物质原子或分子将与大量空气分子碰撞,会使膜层受到严重污染,甚至被氧化烧毁。如果此时沉积的是金属薄膜,那么这层金属薄膜往往没有金属光泽,表面粗糙,薄膜不均匀不连续。

因此要获得高纯度的薄膜,必须要求残余气体分子很少,宏观上表现为真空腔室的背景压强非常低(高真空度)为了保证现质量,蒸发源到基片的距离为25cm,压强则需低于3x10- ** a,因此,在实际实验中蒸各功能层时,体压强均保在在真空蒸镜过程中,蒸发速率和薄膜厚度是最重要的两个参数。蒸发速率除与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物质在温度了时的饱和蒸气压有关外,还与材料自身的表面清洁度有关。蒸发源温度变化对蒸发速率影响极大,下方公式描述了蒸发速率G随温度了的变化关系:

其中,B为常数。对于金属而言,B/T值通常在20~30,即:

因此,在进行真空蒸发时,蒸锻源温度的微小变化即可引起蒸发速率发生很大变化。因而在沉积薄膜过程中,必须精确控制蒸发源温度,以控制合适的蒸发速率,同时加热过程中应避免过大温度梯度的产生。实验室常用的通过真空蒸制备OLED的蒸镀系统设备如下图所示。

真空蒸镀系统,来源:OLED显示技术导论,于军胜

(备注:1、仪器控制台,2、传送杆,3、O2储气罐,4、离子轰击室,5/8/10、挡板阀,6、有机薄膜蒸镀腔,7、涡轮分子泵,9、金属薄膜蒸镀腔,11、器件封装室,12、膜厚动态监测仪,13,机械泵)

蒸镀设备

1为仪器控制台,由真空显示台、温控电源、样品架升降电源、机械泵电源,分子泵电源、离子菱击电源、金属蒸发源、快门控制电源组成,主要功能是在整个器件制各过程中显示和调控蒸发速度与蒸发温度等参数;

2是传送杆。

4室为离子轰击室,主要功能是对ITO玻璃基片进行O2离子菱击,完成预处理;

6室为有机薄膜蒸腔,配备涡轮分子泵7作为主泵、机械泵1、机械泵3作为分子泵前级,主要功能是在高真空条件下将有机小分子材料蒸被到ITO基片上;

9室为金属薄膜蒸铍腔,主要功能是将金属蒸到有机功能层上,形成金属或合金电极;

11室为器件封装室,在充满高纯N2的环境下对器件进行封装。

12是膜厚动态监控仪。

13是机械泵。

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金属电极的真空蒸镀工艺

金属电极仍要在真空腔中进行蒸镀。金属电极通常使用低功函数的活泼金属,因此在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀。常用的金属电极有Mg/Ag、 Mg:Ag/Ag、Li/Al、LiF /Al等。用于金属电极蒸镀的舟通常采用钼、钽和钨等材料制作,以便用于不同的金属电极蒸镀(主要是防止舟金属与蒸镀金属起化学反应)。 金属电极材料的蒸发一般用加热电流来表示,在我们的真空蒸镀设备上进行蒸镀实验,实验结果表明,金属电极材料的蒸发加热电流一般在70A~100A 之间(个别金属要超过100A)、ITO样品基底温度在80℃左右、蒸发速度在5晶振点~50晶振点/秒(即约0.5nm~5nm/S)、蒸发腔的真空度 在7×10-4Pa~5×10-4Pa时蒸镀的效果较佳。

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器件封装工艺

OLED器件的有机薄膜及金属薄膜遇水和空气后会立即氧化,使器件性能迅速下降,因此在封装前决不能与空气和水接触。因此,OLED的封装工艺一定 要在无水无氧的、通有惰性气体(如氩气)的手套箱中进行。封装材料包括粘合剂和覆盖材料。粘合剂使用紫外固化环氧固化剂,覆盖材料则采用玻璃封盖,在封盖内加装干燥剂来吸附残留的水分。下图为由于水分入侵造成有机层的破坏。

吸水材料

一般OLED的生命周期易受周围水气与氧气所影响而降低。水气来源主要分为两种:一是经由外在环境渗透进入元件内,另一种是在OLED工艺中被每一层物质所吸收的水气。为了减少水气进入元件或排除由工艺中所吸附的水气,一般最常使用的物质为吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化学吸附或物理吸附的方式捕捉自由移动的水分子,以达到去除元件内水气的目的。

工艺及设备开发

封装工艺的传统流程如下图所示,为了将Desiccant置于盖板及顺利将盖板与基板黏合,需在真空环境或将腔体充入不活泼气体下进行,例如氮气。值得注意的是,如何让盖板与基板这两部分工艺衔接更有效率、减少封装工艺成本以及减少封装时间以达最佳量产速率,已俨然成为封装工艺及设备技术发展的主要目标之一。

传统OLED封装流程

OLED发展历史及发光工作原理

OLED现状

有机发光二极管可简单分为OLED(Organic Light-Emitting Diodes)和PLED(Polymer Light-Emitting Diodes)两种类型,目前均已开发出成熟产品。PLED主要优势相对于OLED是其柔性大面积显示。但由于产品寿命问题,目前市面上的产品仍以OLED为主要应用。

OLED发展历史

OLED技术的研究,起源于邓青云博士(Dr.Ching Wan Tang),出生于香港,于英属哥伦比亚大学得到化学理学士学位,于1975年在康奈尔大学获得物理化学博士学位。

邓青云自1975年Rochester实验室从事研究工作,在意外中发现OLED —— 1979年的一天晚上,他在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室,回到实验室后,他发现在黑暗中的一块做实验用的有机蓄电池在闪闪发光从而开始了对OLED的研究。到了1987年,的汪根样博士和同事 Steven成功地使用类似半导体PN结的双层有机结构第一次作出了低电压、高效率的光发射器。

1987年的这项实作,生产 OLED 显示器奠定了基础。到了1990年,英国剑桥的实验室也成功研制出高分子有机发光原件。1992年剑桥成CDT(Cambridge Display Technology),这项发现使得 OLED 的研究走向了一条与柯达完全不同的研发之路。

OLED结构及发光原理

OLED的基本结构是在铟锡氧化物(ITO)玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层,发光层上方有一层低功函数的金属电极,构成如三明治的结构。

OLED的基本结构主要包括:

基板(透明塑料、玻璃、金属箔)—— 基层用来支撑整个OLED。阳极(透明)—— 阳极在电流流过设备时消除电子(增加电子“空穴”)。空穴传输层 —— 该层由有机材料分子构成,这些分子传输由阳极而来的“空穴”。发光层 —— 该层由有机材料分子(不同于导电层)构成,发光过程在这一层进行。电子传输层 —— 该层由有机材料分子构成,这些分子传输由阴极而来的“电子”。阴极(可以是透明的,也可以不透明,视OLED类型而定)—— 当设备内有电流流通时,阴极会将电子注入电路。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段:

载流子注入:在外加电场作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能层注入。载流子传输:注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。载流子复合:电子和空穴注入到发光层后,由于库伦力的作用束缚在一起形成电子空穴对,即激子。激子迁移:由于电子和空穴传输的不平衡,激子的主要形成区域通常不会覆盖整个发光层,因而会由于浓度梯度产生扩散迁移。激子辐射退激发出光子:激子辐射跃迁,发出光子,释放能量。

OLED发光的颜色取决于发光层有机分子的类型,在同一片OLED上放置几种有机薄膜,就构成彩色显示器。光的亮度或强度取决于发光材料的性能以及施加电流的大小,对同一OLED,电流越大,光的亮度就越高。

OLED的驱动方式

PMOLED(英文全称为Passive Matrix OLED被动驱动式OLED),PMOLED单纯地以阴极、阳极构成矩阵状,以扫描方式点亮阵列中的像素,每个像素都是操作在短脉冲模式下,为瞬间高亮度发光。优点是结构简单,可以有效降 ** 造成本,然而驱动电压高,使PMOLED不适合应用在大尺寸与高分辨率面板上,与现在的发展有所出入。

AMOLED(英文全称为Active Matrix OLED,就是主动驱动式OLED)AMOLED则是采用独立的薄膜电晶体去控制每个像素,每个像素皆可以连续且独立的驱动发光,可以使用低温多晶硅或者氧化物TFT驱动,优点是驱动电压低,发光元件寿命长。不过高成本以及制作工艺更为复杂,在成本上更难以控制。

OLED特色与关键技术

过去的市场上OLED一直没办法普及,主要的问题在于早先技术发展的OLED样品大多是单色居多,即使采用多色的设计,其发色材料和生产技术往往还是限制了OLED发色的多样性。实际上OLED的影像产生方法和CRT显示一样,皆是借由三色RGB画素拼成一个彩色画素,因为OLED的材料对电流接近线性反应,所以能够在不同的驱动电流下显示不同的色彩与灰阶。

OLED的特色在于其核心可以做得很薄,厚度为目前液晶的三分之一,加上OLED为全固态组件,抗震性好,能适应恶劣环境。OLED主要是自体发光的让其几乎没有视角问题,与LCD技术相比,即使在大的角度观看,显示画面依然清晰可见。OLED的元件为自发光且是依靠电压来调整,反应速度要比液芯片件来得快许多,比较适合当作高画质电视使用。

OLED的另一项特性是对低温的适应能力,旧有的液晶技术在零下75度时,即会破裂故障,OLED 只要电路未受损仍能正常显示。此外,OLED的效率高,耗能较液晶略低还可以在不同材质的基板上制造,甚至能成制作成可弯曲的显示器,应用范围日渐增广。

OLED与LCD比较之下较占优势,数年前OLED的使用寿命仍然难以达到消费性产品(如PDA、移动电话及数码相机等)应用的要求,但近年来已有大幅的突破,许多移动电话的屏幕已采用 OLED,然而在价格上仍然较LCD贵许多,这也是未来量产技术等待突破的。

哪些关于OLED的科普小知识

OLED (Organic Light-Emitting Diode),又称为有机电激光显示、有机发光半导体 (Organic Electroluminesence Display,OLED)。OLED属于一种电流型的有机发光器件,是通过载流子的注入和复合而致发光的现象,发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下,阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动,分别向空穴传输层和电子传输层注入,迁移到发光层。当二者在发光层相遇时,产生能量激子,从而激发发光分子最终产生可见光。

Q1: OLED的发光原理

OLED器件的发光过程可分为:电子和空穴的注入、电子和空穴的传输、电子和空穴的再结合、激子的退激发光。具体为:

(1)电子和空穴的注入。处于阴极中的电子和阳极中的空穴在外加驱动电压的驱动下会向器件的发光层移动,在向器件发光层移动的过程中,若器件包含有电子注入层和空穴注入层,则电子和空穴首先需要克服阴极与电子注入层及阳极与空穴注入层之间的能级势垒,然后经由电子注入层和空穴注入层向器件的电子传输层和空穴传输层移动;电子注入层和空穴注入层可增大器件的效率和寿命。关于OLED器件电子注入的机制还在不断的研究当中,目前最常被使用的机制是穿隧效应和界面偶极机制。

(2)电子和空穴的传输。在外加驱动电压的驱动下,来自阴极的电子和阳极的空穴会分别移动到器件的电子传输层和空穴传输层,电子传输层和空穴传输层会分别将电子和空穴移动到器件发光层的界面处;与此同时,电子传输层和空穴传输层分别会将来自阳极的空穴和来自阴极的电子阻挡在器件发光层的界面处,使得器件发光层界面处的电子和空穴得以累积。

(3)电子和空穴的再结合。当器件发光层界面处的电子和空穴达到一定数目时,电子和空穴会进行再结合并在发光层产生激子。

(4)激子的退激发光。在发光层处产生的激子会使得器件发光层中的有机分子被活化,进而使得有机分子最外层的电子从基态跃迁到激发态,由于处于激发态的电子极其不稳定,其会向基态跃迁,在跃迁的过程中会有能量以光的形式被释放出来,进而实现了器件的发光。

Q2: OLED的特性

OLED技术与其它技术相比,具有以下优点:

(1)功耗低

与LCD相比,OLED不需要背光源,而背光源在LCD中是比较耗能的一部分,所以OLED是比较节能的。例如,24in的AMOLED模块功耗仅仅为440mw,而24in的多晶硅LCD模块达到了605mw。

(2)响应速度快

OLED技术与其他技术相比,其响应速度快,响应时间可以达到微秒级别。较高的响应速度更好的实现了运动的图像。根据有关的数据分析,其响应速度达到了液晶显示器响应速度的1000倍左右。

(3)宽视角

与其他显示相比,由于OLED是主动发光的,所以在很大视角范围内画面是不会显示失真的。其上下,左右的视角宽度超过170度。

(4)高分别率显示

大多高分辨率的OLED显示采用的是有源矩阵也就是AMOLED,它的发光层可以是吸纳26万真彩色的高分辨率,并且随着科学技术的发展,其分辨率在以后会得到更高的提升。

(5)宽温度特性

与LCD相比,OLED可以在很大的温度范围内进行工作,根据有关的技术分析,温度在-40摄氏度到80摄氏度都是可以正常运行的。这样就可以降低地域限制,在极寒地带也可以正常使用。

(6)OLED能够实现柔性屏

OLED可以在塑料、树脂等不同的柔性衬底材料上进行生产,将有机层蒸镀或涂布在塑料基衬上,就可以实现柔性屏。

(7)OLED成品的质量比较轻

与其他产品相比,OLED的质量比较小,厚度与LCD相比是比较小的,其抗震系数较高,能够适应较大的加速度,振动等比较恶劣的环境。

Q3: OLED与LED是一回事吗?

OLED和LED完全不是一回事,它们的区别由发光原理决定。

OLED中文名是有机发光二极管,是一种电流型的有机发光器件,通过载流子的注入和复合而致发光的现象。OLED屏幕是由千万个“小灯泡”组成,这些“灯泡”负责显示不同颜色的光,从而形成我们看到的图像画面。

LED中文名发光二极管,如同灯泡一样,LED本身只负责发光。我们家里常见的液晶电视,是使用LED作为背光的LCD电视,利用液晶分子的偏转来显示出不同的图像。而OLED是通过电流驱动有机薄膜来发光的,可以发出红、绿、蓝色光,组合成全彩光。

Q4: OLED的应用领域

由于OLED具有众多优势,其应用范围更加广泛,可以延伸到电子产品领域、商业领域、交通领域、工业控制领域、医用领域当中,再加上近些年国际各大企业都在不断加强对OLED技术的研究,OLED技术会进一步得到完善。

在商业领域当中,POS机、复印机、ATM机中都可以安装小尺寸的OLED屏幕,由于OLED屏幕可弯曲、轻薄、抗衰性能强等特性,既美观又实用。大屏幕可以用作商务宣传屏,也可以用作车站、机场等广告投放屏幕,这是因为OLED屏幕广视角、亮度高、色彩鲜艳,视觉效果比LCD屏好很多。

电子产品领域中,OLED应用最为广泛的就是智能手机,其次是笔记本、显示屏、电视、平板、数码相机等领域,由于OLED显示屏色彩更加浓艳,并且可以对色彩进行 ** (不同显示模式),因此在实际应用中非常广泛,特别是当今的曲面电视,广受群众的好评。

在交通领域中,OLED主要用作轮船、飞机仪表、GPS、可视电话、车载显示屏等,并且以小尺寸为主,这些领域主要是注重OLED广视角性能,即使不直视也能够清楚看到屏幕内容,LCD则不行。

工业领域中,当今我国工业正在朝向自动化、智能化方向发展,所引入的智能操作系统也越来越多,这就对屏幕有了更多的需求。无论是在触屏显示上还是观看显示上,OLED的应用范围要比LCD更广。

医疗领域中,医学诊断影响、手术屏幕监控都离不开屏幕,为了适应医疗显示的广视域要求,OLED屏幕是“不二之选”。

附中国内地柔性AMOLED产能一览表

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